英飛凌的CoolSiC?和CoolGaN?產(chǎn)品非常適用于應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)中心機(jī)架和電源供應(yīng)單元（PSU）電力需求增長(zhǎng)所需的新架構(gòu)和AC-DC配電配置。

　　作者：Sam Abdel-Rahman 英飛凌科技電源與傳感系統(tǒng)事業(yè)部 高級(jí)首席系統(tǒng)架構(gòu)師

　　前言

　　人工智能（AI）的迅猛發(fā)展推動(dòng)了數(shù)據(jù)中心處理能力的顯著增長(zhǎng)。如圖1所示，英飛凌預(yù)測(cè)單臺(tái)GPU的功耗將呈指數(shù)級(jí)上升，預(yù)計(jì)到2030年將達(dá)到約2000 W [1]，而AI服務(wù)器機(jī)架的峰值功耗將突破驚人的300 kW。這一趨勢(shì)促使數(shù)據(jù)中心機(jī)架的AC和DC配電系統(tǒng)進(jìn)行架構(gòu)升級(jí)，重在減少?gòu)碾娋W(wǎng)到核心設(shè)備的電力轉(zhuǎn)換和配送過(guò)程中的功率損耗。

　　圖1：基于x86和Arm?架構(gòu)的服務(wù)器CPU與GPU和TPU的電力需求對(duì)比

　　圖2（右）展示了開(kāi)放計(jì)算項(xiàng)目（OCP）機(jī)架供電架構(gòu)的示例。每個(gè)電源架由三相輸入供電，可容納多臺(tái)PSU；每臺(tái)PSU由單相輸入供電。機(jī)架將直流電壓（例如，50 V）輸出到母線，母線則連接到IT和電池架。

　　AI的發(fā)展趨勢(shì)要求對(duì)PSU功率進(jìn)行革新，如圖2（左）所示。接下來(lái)，我們將通過(guò)各代PSU的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和器件技術(shù)建議示例，來(lái)逐步介紹這些PSU的演變。

　　圖2 ：AI服務(wù)器PSU的功率演變（左）；服務(wù)器機(jī)架架構(gòu)示例（右）

　　AI服務(wù)器機(jī)架PSU的趨勢(shì)和功率演進(jìn)

　　第一代AI PSU：在相同的架構(gòu)下提升功率，~5.5-8 kW、50 V_out、277 V_ac、單相

　　當(dāng)前的AI服務(wù)器PSU大多遵循ORv3-HPR標(biāo)準(zhǔn)[9]。相較于先前的ORv3 3 kW標(biāo)準(zhǔn)[9]，該標(biāo)準(zhǔn)的大部分要求（包括輸入和輸出電壓以及效率）保持不變，但增加了與AI服務(wù)器需求相關(guān)的更新，例如，更高的功率和峰值功率要求（稍后詳述）。此外，由于與BBU架的通信方式有所調(diào)整，輸出電壓的調(diào)節(jié)范圍變得更窄。

　　盡管每個(gè)電源架都通過(guò)三相輸入（400-480 Vac L-L）供電（見(jiàn)圖2），但每臺(tái)PSU的輸入仍為單相（230-277 Vac）。圖3展示了符合ORv3-HPR標(biāo)準(zhǔn)的第一代PSU的部署示例：PFC級(jí)可以采用兩個(gè)交錯(cuò)的圖騰柱拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中，650 V CoolSiC? MOSFET用于快臂開(kāi)關(guān)，600 V CoolMOS? SJ MOSFET用于慢臂開(kāi)關(guān)。DC-DC級(jí)可以選用650 V CoolGaN?晶體管的全橋LLC，次級(jí)全橋整流器和ORing則使用80 V OptiMOS? Power MOSFET。此外，示例還展示了一個(gè)中間級(jí)，也稱“延長(zhǎng)保持時(shí)間”或“小型升壓”，其作用是減小大容量電容器的尺寸。該中間級(jí)由一個(gè)升壓轉(zhuǎn)換器組成，在線路周期掉電事件期間，通過(guò)儲(chǔ)能電容器放電，以調(diào)節(jié)LLC輸入電壓。在正常運(yùn)行期間，升壓轉(zhuǎn)換器保持空閑狀態(tài)，并通過(guò)低阻抗的600 V CoolMOS? SJ MOSFET旁路。

　　圖3：第一代AI PSU的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及器件技術(shù)示例

　　第二代AI PSU：增加線路電壓，以實(shí)現(xiàn)更高的功率，~8-12 kW、50 V_out、277–347 V_ac、單相

　　如上所述，隨著機(jī)架功率增加到300 kW以上，電源架的功率密度變得至關(guān)重要。因此，下一代PSU的設(shè)計(jì)方向是，在單相架構(gòu)中實(shí)現(xiàn)8 kW至12 kW的輸出功率。隨著每個(gè)機(jī)架的功率增加，數(shù)據(jù)中心中的機(jī)架數(shù)量在某些情況下，可能會(huì)受配電電流額定值和損耗的約束。因此，為了降低交流配電的電流和損耗，部分?jǐn)?shù)據(jù)中心可能會(huì)將機(jī)架的交流配電電壓從400/480 V提高到600 V_ac L–L（三相），同時(shí)將PSU的輸入電壓從230/277 V_ac提高到 347 V_ac（單相）。

　　雖然這一變化有利于數(shù)據(jù)中心的運(yùn)行效率和資源利用，但會(huì)影響PSU的額定電壓和設(shè)計(jì)。在347 V_ac的輸入電壓下，PFC的輸出電壓必須設(shè)定在575 V_dc左右，這意味著傳統(tǒng)的650 V器件的額定電壓已無(wú)法滿足要求。圖4展示了一個(gè)示例：第一代 PSU使用的兩電平圖騰柱PFC被替換為400 V CoolSiC? MOSFET 的三電平飛電容圖騰柱PFC（3-L FCTP PFC）級(jí)。多電平功率轉(zhuǎn)換概念使得在使用較低額定電壓的開(kāi)關(guān)器件的同時(shí)，支持更高的輸入電壓。憑借多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的頻率倍增效應(yīng)，3-L FCTP PFC能夠帶來(lái)更高的效率和功率密度。最重要的是，CoolSiC?技術(shù)針對(duì)400 V的較低擊穿電壓進(jìn)行了優(yōu)化，與650 V 和 750 V CoolSiC?參考器件相比，其FoM更為優(yōu)異（見(jiàn)圖5（左））。此外，圖5（右）顯示了導(dǎo)通電阻在整個(gè)溫度范圍內(nèi)的曲線，其中，400 V CoolSiC? MOSFET的R_{DS（on） 100°C}僅比R_{DS（on） 25°C}高11%。R_DS（on）與T_j之間的這一平緩關(guān)系有助于CoolSiC? MOSFET實(shí)現(xiàn)更高的R_DS（on） typ，從而降低成本并提升開(kāi)關(guān)性能。

　　圖4：第二代AI PSU的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和器件技術(shù)示例

　　圖5：400 V CoolSiCTM與650 V和750 V CoolSiCTM對(duì)比，具有更優(yōu)的開(kāi)關(guān) FoM和穩(wěn)定的RDS（on）與結(jié)溫的關(guān)系：品質(zhì)因數(shù)（左），RDS（on）與Tj（右）

　　對(duì)于DC-DC級(jí)來(lái)說(shuō)，三相LLC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是一種理想選擇，其中，750 V CoolSiC? MOSFET用于初級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān)，80 V OptiMOS? 5 Power MOSFET用于次級(jí)全橋整流器和ORing。由于增加了第三個(gè)半橋開(kāi)關(guān)臂，該解決方案能夠提供更高的功率，有效降低輸出電流的紋波，并通過(guò)三個(gè)開(kāi)關(guān)半橋之間的固有耦合實(shí)現(xiàn)自動(dòng)電流分配。

　　第三代AI PSU：三相架構(gòu)與400 V配電，最高功率約為22 kW，400 V_out，480-600 V_ac，三相

　　為了進(jìn)一步提高機(jī)架功率，第三代AI PSU將采用更具顛覆性的機(jī)架架構(gòu)，具體如下：

　　·PSU輸入：從單相轉(zhuǎn)為三相，以提高功率密度，并降低成本

　　·電源架PSU輸出電壓：從50 V提升到400 V，以降低母線電流、損耗和成本

　　圖6展示了一個(gè)三相輸入、400 V輸出的PSU部署示例，以及推薦的器件和技術(shù)。PFC級(jí)采用Vienna整流器，這是一種常用于三相PFC應(yīng)用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其主要優(yōu)勢(shì)在于采用分離式總線電壓設(shè)計(jì)，因此可以使用650 V器件：通過(guò)使用雙倍數(shù)量的背靠背650 V CoolSiC? MOSFET和 1200 V CoolSiC?二極管實(shí)現(xiàn)。PFC輸出配置為分離式電容器，每個(gè)電容器電壓為430 V，并為全橋LLC轉(zhuǎn)換器供電，該轉(zhuǎn)換器在初級(jí)和次級(jí)側(cè)均使用650 V CoolGaN?晶體管。兩個(gè)LLC級(jí)在初級(jí)側(cè)串聯(lián)，次級(jí)側(cè)并聯(lián)，以向400 V母線供電。

　　此外，也可以將兩個(gè)背靠背的650 V CoolSiC? MOSFET替換為650 V CoolGaN? 雙向開(kāi)關(guān)（BDS），后者是真正的常關(guān)型單片雙向開(kāi)關(guān)。這意味著一個(gè)CoolGaNTM BDS即可取代4個(gè)分立式電源開(kāi)關(guān)，以實(shí)現(xiàn)相同的R_DS（on），這是因?yàn)樗赗_DS（on）/mm2方面具備更高的芯片尺寸利用率。

　　圖6：第三代AI PSU的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和器件技術(shù)示例

　　WBG為 AI PSU帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)

　　CoolGaN?助力實(shí)現(xiàn)高峰值功率瞬變

　　寬禁帶（WBG）半導(dǎo)體（例如，CoolGaN?[2]）能夠在更高的開(kāi)關(guān)頻率下，實(shí)現(xiàn)最佳效率，使轉(zhuǎn)換器在不影響轉(zhuǎn)換效率的前提下，實(shí)現(xiàn)更高的功率密度，因此，成為AI PSU的理想選擇。

　　除了AI PSU的額定功率顯著增加外，GPU在運(yùn)行時(shí)還會(huì)拉動(dòng)更高的峰值功率，并產(chǎn)生高負(fù)載瞬變（見(jiàn)圖7）。因此，DC-DC級(jí)的輸出必須具有足夠的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，同時(shí)需確保電壓的過(guò)沖和下沖保持在規(guī)定的范圍內(nèi)。通過(guò)提升開(kāi)關(guān)頻率，并增加控制環(huán)路帶寬，可以提高DC-DC級(jí)的輸出動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。

　　圖7：AI GPU所需的AI PSU峰值功率

　　400 V CoolSiC? MOSFET可在3-L飛電容圖騰柱PFC中實(shí)現(xiàn)最高效率

　　使用 CoolSiC? MOSFET 400 V的三電平級(jí)飛跨電容圖騰柱PFC（3-L FCTP PFC）不僅能夠?qū)崿F(xiàn)更高的交流輸入電壓（見(jiàn)第2.2節(jié)），且相較CoolSiC? 650 V和750 V參考器件，其品質(zhì)因數(shù)（FoM）更佳，因此還能提供顯著的功率密度和效率優(yōu)勢(shì)。經(jīng)過(guò)優(yōu)化的電感器設(shè)計(jì)（包括尺寸、材料和繞組）和3L拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的R_DS（on）選擇，結(jié)合更低的開(kāi)關(guān)損耗，能夠?qū)崿F(xiàn)平緩的效率曲線：峰值效率超過(guò)99.3%，滿載效率超過(guò)99.15%（見(jiàn)圖8）。

　　圖8：效率對(duì)比：3-L FCTP PFC與2-L TP PFC

　　結(jié)論

　　為了滿足數(shù)據(jù)中心對(duì)AI應(yīng)用的需求，新一輪技術(shù)角逐已經(jīng)啟動(dòng)，推動(dòng)了機(jī)架和PSU的電力需求大幅增長(zhǎng)。其中，AI PSU的功率需求已經(jīng)從3-5.5 kW，提升到8-12 kW（單相）和高達(dá)22 kW（三相）。這種需求給數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)商帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)，即如何優(yōu)化數(shù)據(jù)中心的空間和電力的效率和利用率。應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)需要采用新的機(jī)架架構(gòu)和AC-DC配電配置，使得基于CoolSiC?和CoolGaN?的設(shè)計(jì)處于PSU設(shè)計(jì)的前沿，致力于實(shí)現(xiàn)最佳效率和功率密度。

　　此外，新的寬禁帶器件在新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中也展現(xiàn)了極佳的性價(jià)比，例如，在三電平飛跨電容圖騰柱PFC中采用400 V CoolSiC? MOSFET，或在三相Vienna PFC中使用650 V CoolGaN? BDS（詳見(jiàn)前文）。

　　總而言之，英飛凌的功率器件技術(shù)組合（硅、碳化硅和氮化鎵）和經(jīng)過(guò)優(yōu)化的柵極驅(qū)  動(dòng)IC產(chǎn)品組合，通過(guò)混合應(yīng)用，為當(dāng)前和下一代平臺(tái)及趨勢(shì)的發(fā)展提供了支持。這些組合充分利用了三種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，使PSU設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了最佳靈活性，并在效率、功率密度和系統(tǒng)成本之間達(dá)成平衡。此外，英飛凌還率先推出了全球首項(xiàng)300毫米氮化鎵功率半導(dǎo)體等先進(jìn)技術(shù)，進(jìn)一步推動(dòng)了文章[10]中所述的未來(lái)設(shè)計(jì)發(fā)展。

　　參考文獻(xiàn)

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　　Infineon Technologies AG: 3.3 kW high-frequency and high-density PSU for server and datacenter applications; https://www.infineon.com/dgdl/Infineon-3.3_kW_high-frequency_and_high-density_PSU_for_server_and_datacenter_applications-ApplicationNotes-v01_00-EN.pdf?fileId=8ac78c8c90530b3a0190779314d375eb

[7]Infineon Technologies AG: CoolSiC? totem-pole PFC design guide and power loss modeling– Infineon Technologies application note; https://www.infineon.com/dgdl/Infineon-Application_note_CoolSiC_Totem_Pole_PFC_Design_and_Power_Loss_Modeling-ApplicationNotes-v01_00-EN.pdf?fileId=8ac78c8c85ecb34701865a064ec24076

[8]Infineon Technologies AG: CoolGaN? totem-pole PFC design guide and power loss modeling – Infineon Technologies application note; https://www.infineon.com/dgdl/Infineon-Design_guide_Gallium_Nitride-CoolGaN_totem-pole_PFC_power_loss_modeling-ApplicationNotes-v01_00-EN.pdf?fileId=5546d4626d82c047016d95daec4a769a

[9]Open Compute Project Foundation: ORv3-HPR standard; https://www.opencompute.org/wiki/Open_Rack/SpecsAndDesigns

[10]Infineon Technologies AG: Infineon pioneers world's first 300 mm power gallium nitride （GaN） technology – an industry game-changer; https://www.infineon.com/cms/en/about-infineon/press/press-releases/2024/INFXX202409-142.html

[11]Infineon Technologies AG: Powering AI PSU solutions;

https://www.infineon.com/cms/en/product/promopages/AI-PSU/

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